Нановыступ сделал источник электронов монохроматическим, ярким и стабильным

Физики из Германии и США создали источник электронов с чрезвычайно узкой (до 16 миллиэлектронвольт) энергетической шириной излучения, высокой яркостью и стабильностью. Им удалось добиться этого с помощью крохотного нановыступа на конце тонкой ниобиевой иглы. Новое устройство не только поможет исследовать молекулярные резонансы в образцах, но и будет способно излучать электроны с когерентностью, достаточной для использования их в квантовых технологиях. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Изобретение электронного микроскопа совершило революцию в физике, химии и биологии. Его главным преимуществом по сравнению с оптическим микроскопом стала возможность фокусировки электронного луча в пятно, размер которого существенно ниже оптического дифракционного предела. Рассеиваясь на очень маленьких объектах, электроны способны формировать изображения как с поверхности образцов, так и со всего объема.

Сегодня разрешение электронных микроскопов достигло атомных и субатомных масштабов, что позволяет видеть все атомы и их положения в образце. Но дело не ограничивается упругим рассеянием. Электронные пучки способны ударно возбуждать в веществе резонансы самой различной природы, благодаря высокому контролю кинетической энергии заряженных частиц. Эта идея лежит в основе спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS).

Отдельный интерес представляет применение метода EELS к исследованию колебательной энергетической структуры молекул. Проблема заключается в том, что для этого энергетическое разрешение электронного пучка должно быть порядка нескольких миллиэлектронвольт, в то время как современные микроскопы разгоняют электроны до нескольких сотен килоэлектронвольт. Существующие наработки пытаются достичь такой точности, однако это происходит в ущерб яркости электронного источника или стабильности.

Найти компромисс удалось группе физиков из Германии и США под руководством Александера Стибора (Alexander Stibor) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Они изготовили источник полевой эмиссии электронов на основе ниобиевой иглы с крохотным нановыступом на конце. Такая схема позволила добиться очень малого энергетического разрешения вместе с высокой яркостью, малым углом расхождения и высокой стабильностью.

Все источники электронов (электронные пушки) можно разделить на два больших класса, согласно тому, по какому принципу происходит выход зарядов с поверхности. В термоэлектронных источниках нагрев рабочего тела приводит к тому, что часть электронов приобретает достаточно большую кинетическую энергию, чтобы совершить работу выхода. Вместо этого в источниках полевой эмиссии к поверхности катода прикладывается электрическое поле, создающее барьер. Его электроны преодолевают при помощи эффекта туннелирования согласно законам квантовой механики.

Группа Стибора остановила свой выбор на втором типе источников. Конечно, вероятность туннелирования в них все еще зависит от энергии электронов. Более того, именно она определяет энергетическую ширину электронного излучения с помощью распределения Ферми — Дирака. При этом, чем меньше температура, тем более резок край этого распределения, а значит, тем более узкую ширину можно получить. По этой причине источник авторов работал при температуре 5,9 кельвин.

Однако, этого недостаточно, чтобы сделать эмиссию по-настоящему энергетически узкой. Чтобы добиться цели, физики с помощью сложного пятиступенчатого процесса, включающего электроэрозийную обработку, электрохимическое травление, фрезеровку ионным пучком и отжиг, добились формирования тончайшего (1,5 нанометра) выступа на кончике ниобиевой иглы, радиус закругления которой был равен 25 нанометрам.

Нановыступ играл роль промежуточного провала в кулоновском барьере, благодаря чему там формировался резонансный уровень. Физики могли управлять соотношением энергий этого уровня и уровня Ферми в игле, меняя, как напряжение на игле, так и приложенное электрическое поле. Тестируя рождаемые пучки в полусферическом анализаторе с энергетическим разрешением в три миллиэлектронвольта, они нашли условие, при котором ширина излучения составила всего 16 миллиэлектронвольт.

Авторы также проверили и остальные свойства нового источника. Так, специфичная геометрия иглы и нановыступа привела к довольно узкому — 3,7 градуса — углу излучения, а его яркость составила 3,8 × 10⁸ ампер, деленных на квадратный метр, стерадиан и вольт, что существенно лучше, чем доступные коммерческие реализации. Новый источник показал высокую стабильность: в течение нескольких часов он испускал 4,1 наноампера тока с энергетической шириной 69 миллиэлектронвольт.

Такая узкая ширина полосы испускания побудила физиков оценить то, насколько они приблизились к фундаментальному пределу, связанному с неопределенностью Гейзенберга. Оказалось, что неопределенность импульса частиц, помноженная на размер нановыступа всего в два раза превышает половину постоянной Планка. Это говорит о высоком уровне когерентности электронов, что позволит применять новый источник не только в методе EELS, но и в экспериментах по квантовой информатике и квантовой метрологии с участием заряженных частиц.

Технологическая база для последних областей ширится с каждым годом. Недавно мы рассказывали, как физики запутали электроны в кристаллах, а также как планируют запутывать свободные электроны со светом.

Реклама: ООО «ОМД Эвиденс», ИНН 7727306019.